【正文】 這次設(shè)計(jì)可以說(shuō)是我大學(xué)最后的一門(mén)課了，其中包含的只是實(shí)在是太多了，讓我知道了學(xué)海無(wú)涯的道理，活到老學(xué)到老。 42 43 44 圖 72 PLC梯形圖 45 8 結(jié)論 PLC 控制的兩工位芯模搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的 過(guò)程，但是作為一名機(jī)械電子工程的學(xué)生，設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手作為畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是再適合不過(guò)了，它需要學(xué)生在完成了機(jī)械類(lèi)有關(guān)的基礎(chǔ)課程以及自己的專(zhuān)業(yè)課程后，通過(guò)設(shè)計(jì)，把之前學(xué)的課程（機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、理論力學(xué)、液壓與氣壓控制、測(cè)試技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、PLC 基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)等）所有的理論知識(shí)在設(shè)計(jì)完美的加以運(yùn)用并結(jié)合在一起，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)中提升對(duì)問(wèn)題的分析能力和機(jī)械結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)能力。機(jī)械手放下物品經(jīng)過(guò)延時(shí)，一個(gè)工作循環(huán)完成。機(jī)械手伸出到達(dá)伸出限位 2， SQ6動(dòng)作，機(jī)械手 開(kāi)始下降。機(jī)械手收縮到收縮限位收縮結(jié)束， SQ7動(dòng)作，機(jī)械手開(kāi)始右轉(zhuǎn)。機(jī)械手抓物延時(shí) 1S，機(jī)械手開(kāi)始做上升運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手左轉(zhuǎn)到左限位， SQ2 動(dòng)作，左旋轉(zhuǎn)結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始伸出。 I/O 點(diǎn)數(shù)分配表 表 71 PLC i/o分配表 38 輸入 輸出 SQ1 X000 回轉(zhuǎn)電機(jī)開(kāi)關(guān) KM1 Y001 電機(jī)右轉(zhuǎn) SQ2 X001 KM2 Y002 電機(jī)左轉(zhuǎn) SQ3 X002 手臂上升 /下降開(kāi)關(guān) YA1 Y003 手臂上升 SQ4 X003 YA2 Y004 手臂下降 SQ5 X004 手臂伸縮開(kāi)關(guān) YA3 Y005 手臂伸開(kāi) SQ6 X005 YA4 Y006 手臂收縮 SQ7 X006 YA5 Y007 夾緊與放松 開(kāi)關(guān) 0 X007 單步 開(kāi)關(guān) 1 X0010 循環(huán) 開(kāi)關(guān) 2 X011 手動(dòng)啟動(dòng) 開(kāi)關(guān) 3 X012 手動(dòng)復(fù)位 開(kāi)關(guān) 4 X013 手動(dòng)到遠(yuǎn)點(diǎn) 開(kāi)關(guān) 5 X014 緊急停止 PLC 控制系統(tǒng)的流程圖和梯形圖 機(jī)械手在原始位置時(shí)對(duì) SQ1 動(dòng)作，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手松開(kāi)，機(jī)械手開(kāi)始上 升。 （ 11）下降到下限位置， SQ4 動(dòng)作，機(jī)械手松開(kāi)，放下物品。 （ 9）機(jī)械手到達(dá)右限位， SQ1 動(dòng)作，右 旋結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始伸出。 （ 7）機(jī)械手升到到上限位置， SQ3 動(dòng)作，上升結(jié)束，機(jī)械手收縮。 （ 3）機(jī)械手左轉(zhuǎn)道左限位， SQ2 動(dòng)作，左旋轉(zhuǎn)結(jié)束，機(jī)械手開(kāi)始伸出。 （ 4）功能完善，擴(kuò)充方便組和靈活 （ 5）較少了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工的工作量 控制過(guò)程說(shuō)明 （ 1）機(jī)械手在原始位置時(shí)對(duì) SQ1 動(dòng)作，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手松開(kāi)， 機(jī)械手手臂上升。 PLC 的編程大多采用類(lèi)似于繼電器控制電路的梯形圖形式，低使用者來(lái)說(shuō)不需要具備計(jì)算機(jī)的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)工藝改變或者生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備更新的情況下，不必改變 PLC 的硬件設(shè)備，只需改變程序就可滿(mǎn)足變更控制功能的要求。 37 （ 2）控制程序可變，具有很好的柔性。它可在惡劣的工業(yè)環(huán)境下與強(qiáng)電設(shè)備儀器工作，運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性較高。 PLC 是屬于存儲(chǔ)程序控制的一種裝置，其控制功能是通過(guò)存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，若要對(duì)控制功能作修改，在很大程度上只需改變軟件指令即可，使得硬件軟件化。利用單向節(jié)流閥來(lái)控制各個(gè)動(dòng)作的速度。 氣動(dòng)邏輯元件是通過(guò)可動(dòng)部件的動(dòng)作，進(jìn)行元件切換而實(shí)現(xiàn)邏輯功能的。 空氣控制閥是氣動(dòng)控制元件，它的作用是控制和調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)中壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而保證氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定的程序正常地進(jìn)行工作。氣缸是利用壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。 氣壓系統(tǒng)的組成 壓縮空氣是保證氣動(dòng)系統(tǒng)正常工作的動(dòng)力源。 （ 2）空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很少，便于輸送。 34 圖 54 回轉(zhuǎn)支承能力曲線(xiàn)圖 6 氣壓系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 本機(jī)械手主要以壓縮空氣為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，用氣壓驅(qū)動(dòng)與用其他能源驅(qū)動(dòng)比較有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）空氣取之不竭，用過(guò)之后排入大氣，不需要回收和處理，不污染環(huán)境。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .5 50 .1 7 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (519) 39。4(1 .2 2 5 2 .6 7 6 )(1 .2 2 5 8 0 0 2 .6 7 6 5 0 ) 1 .2 50 .1 4 1 0a a t aF F F fN??? ? ? ? ??? (517) 39。 （ 1）按靜態(tài)工況選型： 取α =45176。 單排四點(diǎn)接觸球式轉(zhuǎn)盤(pán)軸承由兩個(gè)座圈組成，結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、鋼球與圓弧滾道四點(diǎn)接觸，能同時(shí)承受軸向力、徑向力和傾翻力矩。60 hnLPC ? （ N） (516) 因?yàn)?C=Cr，所以選擇 51000 型軸承滿(mǎn)足要求 。 由滾動(dòng)軸承樣本查得 6008 型軸承，當(dāng)量動(dòng)載荷可按下式計(jì)算： 當(dāng) Fa/Fr 時(shí)： P=Fr+ (512) 當(dāng) Fa/Fr 時(shí)： P=+ (513) 33 因 Fa/Fr，且工作沖擊較小，取載荷系數(shù) fp=，則： P=fp(XFr+YFa)= (514) 計(jì)算預(yù)期壽命 hL39。已知軸承的轉(zhuǎn)速為 n=70176。可承受較大的軸向力載荷 ，很符合我的設(shè)計(jì)要求。在機(jī)械手中軸承的選擇即顯得尤為重要。 其他主要零件的選用 軸承 是在機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中起固定和減小載荷摩擦系數(shù)的部件 。 則啟動(dòng)角速度 w? =,啟動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為 = = 32. 116t = MwMJ ? ?? ?慣 又有功率的計(jì)算公式： w=9550TnP ? (511) 根據(jù)任務(wù)要求機(jī)械手轉(zhuǎn)速為 90176。 手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 221= 3 + L )12J m R臂 （ (58) 2 2 21= 3 1 . 3 + 0 . 6 ) 1 3 . 612J k g m? ? ? ?臂 30 （ 將上半機(jī)身看似一個(gè)半徑為 120mm 的圓柱，重量為 30KG，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)中心與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心同軸。 電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 當(dāng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)，其力矩主要為慣性力矩，先求出各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 根據(jù)實(shí)際情況和各項(xiàng)優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì) 于機(jī)械手我選擇使用交流電動(dòng)機(jī)中的 Y 系列的三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 常用的交流電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。在相同的體積，比交流電機(jī)的輸出功率直流高出 10％ ? 70％。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，鋼鐵材料消耗，生產(chǎn)成本高。 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇 長(zhǎng)期以來(lái)，在高速性能要求的場(chǎng)合，一直主導(dǎo)地位的是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的 31 應(yīng)用。 升降缸行程的選擇 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》氣壓缸的行程參數(shù)系列 ,選擇升降氣壓缸的行程 S=800mm。 （ 5）液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力： 一般的背壓阻力較小，可按 F 回 =。 （ 2）摩擦力的計(jì)算： 1=2 RF F f摩 （ 54） 12 4 0 0 0 . 3 0 8= = 4 0 0 4h 0 . 0 4 1RR Gp NmF F Nm???總 1=2 f =2 40 04 6= 12 81 .2RF F N??摩 （ 3）慣性力的 計(jì)算： =GFgt???慣 （ 55） 式中 ?? ──由靜止加速到常速的變化量，由于此機(jī)械手屬于中小型裝置，取?? =4m/min， t? ── 啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間，本設(shè)計(jì)取 。 （ 1）粗略計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件總重力： 由前面設(shè)計(jì)的小手臂、手爪以及工件 的重量，可以大約估計(jì)小手臂伸縮液壓缸活塞桿尺寸為 ? 130mm，手臂液壓缸活塞桿總長(zhǎng) 1000mm。 ++p G p G p GpG? 手 抓 手 抓工 件 工 件 手 臂 手 臂總 (51) P總 =308mm，所以回轉(zhuǎn)半徑為 308mm。 28 圖 52 手臂各部件重心位置圖 （ 1）零件重量 G 工件、 G 爪、 G 臂等，現(xiàn)在對(duì)機(jī)械手手臂做粗略估算： G 工件=， G爪 = 5Kg， G 臂 =，估算 G總 =。當(dāng)進(jìn)氣口 1 進(jìn)氣后，帶動(dòng) 2活塞和 3 活塞桿做向上升的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng) 4 連接板 的動(dòng)作，間接使得手臂做上升的運(yùn)動(dòng)， 5 導(dǎo)向桿起到支撐和導(dǎo)向作用。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。 l=330mm,故無(wú)需校核。 確定氣缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 氣缸的內(nèi)徑的計(jì)算，如圖 422 所示 圖 422 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)空氣進(jìn)入無(wú)桿腔時(shí)： 21== 4F F p??π D （ 46） 式中傳動(dòng)效率 ? 當(dāng)空氣進(jìn)入有桿腔： 222 d )== 4F F p??π （ D （ 47） 故 14FD P??? （ 48） 625231 .1 3 0 .0 7 8 5 20 .9 5 0 .5 5 1 0Dm? ? ??? 根據(jù)表 41 氣缸內(nèi)徑 選用表以及機(jī)械手冊(cè)中的規(guī)定 D 取 80mm 25 表 41 氣缸內(nèi)徑選用表 氣缸內(nèi)徑（ mm） 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 （ 2） 氣缸外徑的設(shè)計(jì)： 根據(jù)裝配等因素，考慮到氣缸的臂厚在 14mm，所以該氣缸的外徑為 108mm. （ 3） 活塞桿的計(jì)算校核： 活塞桿的尺寸要滿(mǎn)足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。 一般的背壓阻力較小 在這取 = 。 公式中： 鋼對(duì)鑄鐵：取 ~ ， 鋼對(duì)青銅：取 ~ ， 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ? = ? = 通過(guò)實(shí)際情況計(jì)算得： G 總 =420N， L==， a=54mm= 2 0 . 1 5 1 + 0 . 0 5 4= 4 2 0 0 . 3 = 2 5 0 4 . 2 50 . 0 5 4FN???摩 （ ） 設(shè)計(jì)要求 V＜ 250mm/s，本設(shè)計(jì)設(shè)手臂平動(dòng)是 =5m/ iV mm ，設(shè)置氣動(dòng)時(shí)間t ?? ，氣動(dòng)速度 v /v m s? ? ? = gtGvF ??總慣 （ 45） 4 2 0 0 . 0 8 3= = = 1 7 . 7 7 Ng t 9 . 8 / g 0 . 2Gv NSF N K S? ???總慣 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O 型密封，由于工作壓力小于 10Mpa。 圖 41 機(jī)械手臂部受力示意圖 計(jì)算如下： 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱(chēng)配置 ，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。上圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對(duì)稱(chēng)配置在伸縮崗兩側(cè)。 = + + +P驅(qū) P慣 P摩 P封 P背 (41) 式中： P 慣 手臂在啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力， P 摩 摩擦阻力， P 封 密 22 封裝置處的摩擦力， P 背 氣缸非工作腔壓力所造成的阻力。 做水平伸縮直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力， 來(lái)確定 液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。 手臂直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算，或類(lèi)比同類(lèi)結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。 （ 4） 活 塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 （ 2） 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。升降運(yùn)動(dòng)由活塞驅(qū)動(dòng)，靠立柱上平鍵導(dǎo)向，缸體沿導(dǎo)向套在